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도쿄(東京)대학 대학원 공학계연구과 연구그룹이 산소의 전자를 사용해도 열로서 에너지를 잃지 않고 전기 에너지를 축적할 수 있는 전극 재료를 발견함. 지속 가능한 카본 튜트럴(탄소 중립) 사회를 구축하는 것을 목표로, 자연 에너지(태양광, 풍력)로부터 발생하는 불안정한 전기 에너지를 축적하여, 필요할 때 필요한 만큼 전기 에너지를 안정적으로 공급할 수 있는 배터리의 개발이 요구되고 있지만, 현재 사용되는 전지가 축적하는 전기 에너지는 한정되어 있어, 전지 안에서 전기 에너지를 축적하는 기능을 담당하는 전극 재료인 전이 금속 산화물을 고용량화 하는 것이 필요했음.

연구진은 전극 재료 Na2Mn3O7가 갖는 산소의 전자가 에너지 손실 없이 전기 에너지를 저장할 수 있는 것을 발견함. 또한, 산소의 전자를 전력 저장에 이용한 경우 열로 손실되는 원인이 산소 원자끼리 결합을 만들기 때문이라는 것을 규명, 개발한 전극 재료는 산소 원자가 결합을 만들지 않고 축적한 전력 에너지를 그대로 이용할 수 있음을 밝혀냄.

한편, 전자를 방출하는 산소의 2p궤도가 Mn의 3d 궤도와 강하게 상호 작용하여 산소의 전자가 방출된 상태를 안정화시키는 것을 확인함.

본 연구 성과는 에너지 손실의 원인이 되는 산소 원자의 결합 형성을 막을 수 있는 전극 재료의 개발을 가속화시킴으로써, 에너지 손실을 일으키지 않고 전지를 고용량하는 데 공헌할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications (Nonpolarizing oxygen-redox capacity without O‒O dimerization in Na2Mn3O7)에 게재됨.